Hoe verandert een metaal op de nanoschaal Hoe verandert een
advertisement
Hoe verandert een metaal op de nanoschaal Hoe verandert op de nanoschaal in een isolator? Dr. Erik van Heumen Outline Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator? Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal? Metaal‐Isolator overgang in V2O3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar van metaal isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013) V2O3 kristal structuur 300 nm film V2O3 op saffier g diffractie: ([110] and [012] peaks) ([ ] [ ]p ) rontgen 2 structuren bij dezelfde T C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 355401 V2O3 kristal structuur Volgen de elektronen de kristal structuur? Outline Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator? Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal? Weerstand? Methode h d nr. 1 A. Caviglia, TUDelft Methode h d nr. 2 2 50 nm contact afstand ! Geleiding! )) is een Licht ((foton) is Licht (foton een wisselend elektromagnetisch veld! Het Drude model Vrije lading Ionen Het Drude model beschrijft j metalen metalen. . Elektronen botsen met iionen. onen. foton Paul Drude Paul Drude 1/weerstand! De optische geleiding De optische geleiding Lorentz bedacht wat er Lorentz bedacht wat er gebeurde als de elektronen ’vast’ ’vast’ zaten zaten.. Hij nam aan dat er een ‘nieuwe’ nieuwe’ kracht kracht was die de elektronen die de elektronen aan de kernen de kernen gebonden hield (wet van Hooke). Dit is is een een model model voor voor een isolator! D d Drude L Lorentz t De optische geleiding 1/weerstand! Probleem Metaal Isolator Probleem Metaal Isolator Golflengte [μm]] g [μ THz FIR foton energie [meV] MIR NIR VIS UV De diffractie limiet Objecten kleiner dan de golflengte kun je niet kun je niet onderscheiden! Het optische verschil tussen metaal en isolator zie je bij 10‐100 μm. Nabije veld spectroscopie AFM probe Einc Escat Escat ∝ pz (ε ) pz Einc z ε Enf 11 1 • Als je een metalen naald met laser licht bestraalt onstaat een dipool • Door Door E Escat te meten terwijl de naald de naald het het oppervlak aftast, zie je optisch contrast Escat bevat lokale informatie over optische geleiding met 20 nm resolution ( ≈ straal van AFM punt) Metaal‐Isolator overgang in V2O3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar van metaal isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013) V2O3 kristal structuur 300 nm film V2O3 op saffier g diffractie: ([110] and [012] peaks) ([ ] [ ]p ) rontgen 2 structuren bij dezelfde T C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 355401 Near‐field maps 169K 176K 173K 171K 179K PM + – 298K d AFI 162K 22 μm μ 164K 0 (AFI) 169K 172K Near-field amplitude (rel. gold) 175K 204K 1.2 (PM) Near‐field maps 169 K 173 K 171 K 176 K 179 K d AFI PM + – 298 K 162K 22 μm μ 164 K 169 K 0 (AFI) 172 K 175 K 1.2 (PM) Near-field amplitude (rel. gold) Insulating 204 K Metallic Near‐field maps 169 K 173 K 171 K 176 K 179 K d AFI PM + – 298 K 162K 22 μm μ 164 K 169 K 0 (AFI) 172 K 175 K 1.2 (PM) Near-field amplitude (rel. gold) Insulating 204 K Metallic Near‐field maps 169 K 173 K 171 K 176 K 179 K d AFI PM + – 298 K 162K 22 μm μ 164 K 169 K 0 (AFI) 172 K 175 K 1.2 (PM) Near-field amplitude (rel. gold) Insulating 204 K Metallic Near‐field maps 169 K 173 K 171 K 176 K 179 K d AFI PM + – 298 K 162K 22 μm μ 164 K 169 K 0 (AFI) 172 K 175 K 1.2 (PM) Near-field amplitude (rel. gold) Insulating 204 K Metallic Near‐field maps 169 K 173 K 171 K 176 K 179 K d AFI PM + – 298 K 162K 22 μm μ 164 K 169 K 0 (AFI) 172 K 175 K 1.2 (PM) Near-field amplitude (rel. gold) Insulating 204 K Metallic Two facets of the metal‐insulator transition T=169 K T=169 K Insulator Heating Cooling Conducting stripes XRD: transition 75 % completed Insulating Nucleating conducting puddles ddl XRD: transition <5 % completed Metallic Percolatie overgang T=174K T=174K • Verandering g van weerstand valt samen met formatie van oneindig geleidend cluster 30K bimodal 200K 174K k i h en structurele l • El Elektronische fracties verschillen 5 K “Insulating” Mott overgang Mott overgang kan ook binnen monoclinische structuur (*) Liu et al., Phys. Rev. Lett. 111, 096602 (2013) “Metallic” Samenvatting De verandering van de weerstand van de weerstand De verandering wordt gedreven door percolatie. De metaal‐isolator overgang l l is niet direct gekoppeld aan de kristal structuur. Waarom een gestreept patroon? T=169 K T=169 K T=169 K Cooling Heating Mogelijk antwoord Koppeling van elektronen aan ‘stress velden’ Outline The Hubbard model N Neem een Neem een rooster van atomen rooster van t atomen. t . γ The Hubbard model N Neem een Neem een rooster van atomen rooster van t atomen. t . The Hubbard model N Neem een Neem een rooster van atomen rooster van t atomen. t . Mott‐Hubbard isolator Met anti‐‐parallelle spins Met anti spins winnen winnen ze Ekin De reflectiviteit Near field enhancement // Csca = scattering cross‐section Strong enhancement when tip aproaches sample E h Enhancement for perpendicular f di l polarization l i i Knoll, B. & Keilmann, F. Optics comm. 182, 321–328 (2000). Detection scheme IR Modulate AFM tip at Ω Ω S Sample mirror dipole Knoll et al., Optics Communications 182, 321 (2000) Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006) Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection Pseudo‐heterodyne detection S Sample mirror dipole Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006) Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection Pseudo‐heterodyne detection S Sample mirror dipole Ref. amplitude NF amplitude Bessel function Ref phase Ref. phase NF phase Interferometric detection IR How to remove background? Pseudo heterodyne detection Pseudo‐heterodyne detection S Sample mirror dipole Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006) V2O3 kristal structuur Volgen de elektronen de kristal structuur? Introductie Wat is het verschil tussen een metaal en een isolator? Introductie Hoe verandert een metaal in een isolator? Kan een metaal in een in een isolator veranderen? isolator eranderen? e‐beam lithography 50 50 nm contact afstand t t f t d! A. Caviglia, TUDelft Outline Introductie Hoe verandert een metaal in een isolator? Elektronen zijn fermionen. Ze wisselwerken via de Coulomb interactie. Introductie Hoe verandert een metaal in een isolator? Koper Neon Berylium Waterstof Helium 4s Model voor een metaal Neem een Neem een rooster van atomen rooster van atomen.. electron γ γ geeft de kans de kans dat een elektron zich verplaatst Koper Model voor een metaal Het Hubbard model Het simpelste model Het simpelste model voor voor wisselwerkende electronen.. electronen e1 en e2 op op hetzelfde hetzelfde roosterpunt e1 en e2 niet op op hetzelfde hetzelfde punt Twee fermionen kunnen alleen op Twee fermionen op hetzelfde hetzelfde roosterpunt zijn als hun spin anti‐ spin anti‐parallel is. spin anti parallel is The Hubbard model N Neem een Neem een rooster van atomen rooster van t atomen. t . γ The Hubbard model N Neem een Neem een rooster van atomen rooster van t atomen. t . The Hubbard model Al alle Als ll spins dezelfde spins i dezelfde d lfd kant k t opstaan, opstaan t , zitten de elektronen de elektronen vast! Mott‐Hubbard isolator Met anti‐‐parallelle spins Met anti spins winnen winnen ze Ekin Metaal‐Isolator overgang in V2O3 Sterk wisselwerkend metaal Structurele en magnetische overgangen Wat drijft de overgang van metaal naar van metaal isolator? McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)
